专利名称：无自扰消水平地磁安培定则实验器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种中学物理实验仪器
背景技术：
安培定则发表于19世纪初，但因地磁场的干扰的问题解决不了，一直做不出用多枚小磁针把直线电流的磁场方向在空间分布的情景，分布的规律以及安培定则直接表现出来的实验(简称安则实验)，致使安培定则变得抽象、难学，这一情况持续近两个世纪之久。直至21世纪，发明一种解决地磁干扰的问题的方法消除地磁场的水平分磁场(发明专利号ZL200710163847. I)。同时发明了一种用所述方法做安则实验的仪器消除地磁场的水平分磁场安培定则实验器(简称消水平地磁安则器)。地磁干扰的问题解决了，从而另一种干扰暴露了出来。在用消水平地磁安则器做安则实验中暴露了出来。这种干扰使直线电流的磁场中某些地方的小磁针的N极的指向严重偏离直线电流的磁场的方向。此干扰来自仪器本身，来自回路中的电流所产生的磁场，称之为“自扰”，此磁场称之为“自扰磁场”。由于自扰，使小磁针的N极的指向偏离直线电流的磁场的方向的角度Θ，称之为“自扰偏角Θ ”。当初，解决自扰的问题的方法让产生自扰磁场的回路远离小磁针，使自扰偏角Θ小到用肉眼看不出来的程度。这样，虽然实验的效果达到了，但却使整个仪器的形体变得庞大，带来诸多麻烦，要使整个仪器的形体小型化，就得从根本上消除自扰磁场。
发明内容本发明是为解决，在用消除地磁场的水平分磁场的方法做安培定则的实验的仪器做安培定则的实验中的自扰的问题，提供一种无自扰消水平地磁安培定则实验器，其包括无自扰安则器，消水平地磁的装置。无自扰安则器的结构完全相同的二方弓形回路并联后再与竖直的直导线串联形成的混联电路的二路端分别接电源的正负极，形成闭合电路；二方弓形回路对称地装设在所述直导线的两侧并与所述直导线都在同一平面内；套穿设于所述直导线的中点的水平的观察器的一条中线与所述平面垂直；将所述闭合电路架设在，安装于仪器底座上的正方形的框架上，就构成了一部无自扰安则器；所述二方弓形回路中的二电流在所述中线的任一点上产生的二自扰磁场的磁感强度总是大小相等方向相反，矢量和为零，二自扰磁场同归于尽。消水平地磁的装置分居于所述正方形框架两侧外的两块相同的磁体板,一块的N极与另一块的S极正对，共同产生的匀强磁场的磁场方向与底座上的方向准线的箭头的指向相反，而所述箭头指向水平地磁的方向；所述观察器上所有小磁针都在所述匀强磁场之中；所述二磁体板分别安置在两辆分别运行于二导轨上的二小车上；向顺或逆时针的方向扭转旋钮，借助绞绕在轮轴的轴上的细软钢丝绳和诸小滑轮，带动二小车做方向相背或相向的运动，从而使二磁体板共同产生的匀强磁场变弱或变强，从而可把所述匀强磁场的磁感强度调整到与水平地磁大小相等方向相反，从而可消除水平地磁。
以下结合附图对本发明做详细描述图I中有观察器的正视图、俯视图、左视图和仰视图。图2不出一枚部标为J11006的小磁针和一枚部标为J11005的大磁针。图3中有小滑轮的正视图、左视图和沿A-A线的剖视图。图4中有轮轴的立体图，正视图和沿B-B线的剖视图。 图5、6示出用小型消水平地磁安则器做实验中表现出来的自扰结果。图7不出直线电流的磁场和自扰磁场。图8示出消除自扰磁场的方法。图9示出自扰磁场消除后的情况。
图10示出无自扰的安则实验。
图11示出无自扰安则器。
图12示出无自扰消水平地磁安培定则实验器。
具体实施方式
对照图I，观察器10是一块边长为18cm的正方形薄板，其上面阴刻一组射线11和一组同心圆12(半径为8cm、5cm、2cm)，其中心013处有一小圆孔13，其背面中央有一弹簧夹14。对照图2，部标为J11006的小磁针15长2. 8cm ;部标为J11005的大磁针16长14cm。图3中小滑轮17的直径为2cm。对照图4.轮轴的轮18做为旋钮18，其直径为3cm。轮轴的轴19用以绞绕细软钢丝绳。图5、6示出用小型消水平地磁安则器做的安则实验结果。小型消水平地磁安则器中竖直的直导线I与弓背5的长度都是40cm ；水平的上、下弓臂3、4的长度都是20cm ；水平的观察器10套穿设于竖直的直导线I的中点；直导线I、方弓形回路2及观察器10上的中线21都在同一平面Pf3内；中线24垂直于平面PP3。用小型消水平地磁安则器做的实验中出现的自扰偏角Θ :G点31与R点36处的二小磁针31与36的自扰偏角为Θ e与θ R则Θ G = θ R = 29。；二小磁针32与35的自扰偏角为θ Η与Θ Q ;[0038]则ΘΗ = 0Q = 19。；二小磁针33与34的自扰偏角为θ κ与Θ l ;则θκ = 0L = 4。；对照图7.小磁针的自扰偏角的计算，实际上就是小磁针所在点的磁场的方向的计算，详细计算放到附注中进行。计算R点36的磁场方向直导线I中电流(以下简称电流I)的电流强度为10A、其在R点36产生的磁场的 磁感强度为B1e = 2. 32 X IO^5T而其方向与半径为8cm的同心圆相切,方向向右。方弓形回路2中的电流2在R点36产生的磁感强度为B2K。磁感强度矢量B2k分解为方向与B1k垂直的Β\ι及方向与B1k平行的B2m而B2k11的方向恰与B1k的方向相反。B2k 丄=L 17 X 1(Γ5Τ ；B2E11 = O. 23 X KT5T自扰偏角
Θ R = arctg—-^ rx2 arctg---29° u, n
B1r-B2ru-6 2.32-0.23 一 y 14 ⑴由上面⑴式可见到底有没有自扰偏角完全取决于⑴式中的分子Β\ι[0051 ]右 Br^=O 则 θκ = 0;若B2k 丄古 O 则 Θ K ^ O ;同时可见Β2Κ11只能影响Θ R的大小而与θ R是否为零完全无关。所以称……B2k丄为自扰磁场，而自扰磁场完全来自方弓形回路2。但是，方弓形回路2中的电流在中线21的各点上不产生自扰磁场。(附注中再说明)用完全相同的方法和过程，可算出0g = 29。14' ;0h=0q=19。24' ; θ κ = Θ L = 4。对照图8.消除自扰磁场的方法给消水平地磁安则器加装一个方弓形回路6。并联的二方弓形回路2、6完全相同，分居于直导线I的两侧，并且和直导线I都在同一平面23内。套穿设于直导线I的中点的水平的观察器10的中线24垂直于平面23。由电源20引出的电流强度为10安培的电流，流经直导线I后，二等分为两支电流强度都是5安培的支流，分别流经二方弓形回路2、6后，合流于汇流棒37再流回电源20。此时，直线电流I在R点36产生的磁场的磁感强度仍为B1e = 2. 32 X IO^5T但此时，方弓形回路2中电流却为5安培，所以，此时
I 17B2RJ.= ~ ~X 10~5Γ=0.59Χ 10_5Γ方弓形回路6在R点36产生的自扰磁场…、丄 I = Ib2i^ I = 0.59 χιο_5τ但矢量B6U与B2U的方向恰相反[0068]故矢量和+ — O用同样的方法可算得电流6与电流2在中线24上的Q、L、K、H、G点上产生的自扰磁场的矢量和BiT1 +BiTi、-B2L + S5^i-、-S2Tjl + B6Zfl^ B1Gi + B6Ci-^M等于
零，自扰磁场相互抵消。对照图9. G、R、H、K、L、Q各点自扰磁场都已消除，则在这些点上就只有直线电流I的磁场 B1。、B、、B、、B1PB1P B1qij对照
图10.中线24上各点的自扰磁场都已消除而中线21上本来就没有自扰磁场，所以若无水平地磁的干扰，则观察器10上所有小磁针的N极都应该转到并停驻在直线电流I在各小磁针处产生的磁场的方向上。
图11示出一台无自扰安则器，其结构直导线I与并联的二方弓形回路2、6串联 成的混联电路，通过汇流棒37、分流块38以及诸定位小圆环39，架设在安装于底座40上的正四方形框架41上；底座40上阴刻的方向准线42与正四方形框架41平行；通过中心小孔13，水平的观察器10套穿设于竖直的直导线I的中点13 ;直导线I、二方弓形回路2、6及中线21都在同一平面PP3内冲线24与平面PP3垂直；所述混联电路的二路端分别接电源20的正负极。此无自扰安则器，若在地磁水平强度为O的地磁南、北极，就可直接做安则实验了，不需调整、不用管它的水平朝向如何，只要把它放到水平台面上，接通电路就可做安则实验了，观察器10上的所有小磁针的N极都转到并停驻在直线电流I在各小磁针处产生的磁场的方向上。在地磁南、北极做实验是不可能的，而在其它任何地方做实验，都要受水平地磁的干扰，所以此无自扰安则器上必须装上一套消水平地磁的装置，如
图12所示A.无自扰消水平地磁安则器的机制分居于无自扰安则器(
图11中示出的)两侧的两块完全相同的磁体板43、44，一块的N极与另一块的S极相互正对。二磁体板43、44的共有轴线51与直导线I垂直相交于直导线I的中点13，二磁体板43、44与直导线I的距离相等。轴线51与方向准线42平行。二磁体板43、44共同在其正中间产生的匀强磁场区(称为人为匀强场)内的磁场的方向恰与方向准线42的箭头的指向相反。观察器10上面的所有小磁针都在人为匀强场内。二磁体板43、44分别安装于运行在二导轨47、48上的二小车45、46上。向顺时针或逆时针方向扭转旋纽18 (即轮轴的轮18)，通过绞绕在轴19上的细软钢丝绳50和众小滑轮17，牵拉二小车45、46做方向相背或方向相向的运动，从而使二磁体板43、44间的距离变大或变小,从而使人为匀强场的强度变小或变大。B.无自扰消水平地磁安则器的调整将整个仪器放到水平的台面上，从二小车45、46上拿下二磁体板43、44放到2米以远处。将大磁针16顶在顶针49的针尖上，在地磁场的作用下，大磁针16的N极转到并停驻在水平地磁的方向上。以大磁针16的N极停驻的方向为准，在水平台面上转动整个仪器至阴刻在底座板40上的方向准线42的箭头与静止在地磁场中的大磁针16的N极重合。取回二磁体板43、44放回原二小车45、46上。观察器10上只留最靠近直导线I的小磁针之一的D点28处的小磁针28，其余全部拿下。此时，若小磁针28出现随遇平衡。就说明水平地磁已消除，就可将所有小磁针放回原处，接通电路就可做安则实验了。此时，若小磁针28的N极仍指着水平地磁的方向，就说明水平地磁强于人为匀强场，就应向逆时针方向慢慢扭转旋纽18至小磁针28出现随遇平衡。此时，若小磁针28指着人为匀强场的方向，则要向顺时针方向扭转旋纽18至小磁针28达到随遇平衡。水平地磁和自扰磁场都消除后，观察器10上所有小磁针都指着直线电流I在每个小磁针处产生的磁场的方向，每个小磁针都与其所在的同心圆12相切而与其所在的中线21与24相垂直，若握直导线I的右手的伸直的拇指指电流的方向则弯曲的四个手指指的就 是磁感线环绕的方向，这就是本实验要达到的目的。
权利要求1.一种无自扰消水平地磁安培定则实验器，其包括无自扰安则器；消除水平地磁的装置； 所述无自扰安则器的结构并联的二方弓形回路(2、6)与竖直的直导线(I)串联成的混联电路架设在装在底座(40)上的正四方形框架(41)上；所述混联电路的二路端分别接电源(20)的二电极；水平的观察器(10)套穿设于竖直的直导线(I)的中点，一组小磁针(15)分别放在一组同心圆(12)与二中线(21、24)的诸交点上。
所述消水平地磁的装置的机制分居于正四方形框架(41)两侧的两块完全相同的磁体板(43、44), 一块的N极与另一块的S极相互正对所产生的勻强磁场的磁场方向与阴刻在底座(40)上的方向准线(42)的箭头的指向相反而方向准线(42)的箭头指向水平地磁的方向；观察器(10)上所有的小磁针(15)都在所述匀强磁场之中，二磁体板(43、44)分别安置在两辆分别运行于二导轨(47、48)上的二小车(45、46)上；向顺时针或逆时针方向扭转旋钮(18)，借助绞绕在轴(19)上的细软钢丝绳(50)和诸小滑轮(17)，带动二小车(45、46)做方向相背或相向的运动，从而使二磁体板(43、44)共同产生的匀强磁场变弱或变强；其特征在于二方弓形回路(2、6)完全相同，对称地分居于直导线⑴的两侦h并与直导线⑴都在同一平面(23)内；二方弓形回路(2、6)中的电流在垂直于平面(23)的中线(24)上的R、Q、L、K、H、G、各点上产生的诸自扰磁场Β2κι、B20 B2l B2k B2h B2g 与 B6k ^B6q 丄、B6u、B6k 丄、B6h 丄、B6G 丄的诸矢量和Kx+ . +Kx+Kl ^+ 都等于零，自扰磁场互相抵消。
专利摘要本实用新型涉及一种无自扰消水平地磁安培定则实验器，其包含消除自扰磁场的装置，即二方弓形回路(2、6)。相同的二方弓形回路(2、6)并联，再与竖直的直导线(1)串联成的混联电路的二路端接电源(20)。二方弓形回路(2、6)对称地分居直导线(1)的两侧并与直导线(1)都在平面(23)内。套穿设于直导线(1)中点的水平的观察器(10)的中线(24)与平面(23)垂直。二方弓形回路(2、6)中的电流在中线(24)的R、Q、L、K、H、G、各点产生的自扰磁场B2R⊥、B2Q⊥、B2L⊥、B2K⊥、B2H⊥、B2G⊥与B6R⊥、B6Q⊥、B6L⊥、B6K⊥、B6H⊥、B6G⊥的诸矢量和都等于零，二自扰磁场互相抵消。
文档编号G09B23/18GK202601044SQ20122004511
公开日2012年12月12日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者许鸿滨 申请人:许鸿滨